Kunstig neuron kommunikerer med den menneskelige hjerne. Gennembrud fra USA

Hvorfor neuroner er så vigtige – og så sårbare

Forskere ved University of Massachusetts har i Nature Communications beskrevet et elektronisk kredsløb, der ikke bare efterligner hjernens signaler, men faktisk fungerer i et miljø svarende til det, rigtige neuroner arbejder i. Det kan fundamentalt ændre måden, vi behandler neurologiske sygdomme på – og måden vi designer hjerneinspiret elektronik.

Hjernen er et tæt netværk af forbindelser. Ifølge data fra hjerneforskningsinstitutter består den af omkring 100 milliarder neuroner – specialiserede nerveceller, der videresender information. Hver neuron har tre hovedelementer: cellekroppen, dendritterne og aksonet.

Dendritterne opfanger signaler fra andre celler. I cellekroppen bearbejdes disse signaler, og aksonet fungerer som en ledning, der sender den elektriske impuls videre til næste neuron. På et splitsekund passerer millioner af sådanne impulser gennem hjernen – de styrer vores bevægelser, følelser og minder.

Problemerne opstår, når neuroner holder op med at fungere eller dør. Skader i nervenetværket kan føre til:

• bevægelsesforstyrrelser som Parkinsons sygdom,
• sanseproblemer og ændret perception,
• alvorlige hukommelsesproblemer som ved Alzheimers sygdom.

I modsætning til mange andre celletyper fornyer neuroner sig ikke let. Når de er tabt, er de som regel borte for altid. Derfor har neurologi og biomedicinsk teknik i årevis søgt måder at beskytte eller erstatte dem på.

Teknologi, der kan efterligne en neurons arbejde så præcist, at hjernen "opfatter den som sin egen", er af særlig stor betydning.

Hvad er neuromorfisk integration

Den nye kunstige neuron fra Massachusetts er en del af en bredere tendens kaldet neuromorfisk integration. Idéen er at designe elektronik, der så præcist som muligt kopierer strukturen og adfærden hos neuroner og synapser.

I stedet for klassisk, lineær databehandling som i traditionelle processorer forsøger neuromorfiske kredsløb at fungere mere som hjernen: parallelt, energibesparende og med korte impulser. I laboratorier udvikles derfor specialchips, "kunstige synapser" og nye typer transistorer, der kan lære og tilpasse sig.

Hidtil er mange af disse forsøg stødt på manglen på biologisk kompatibilitet. Enhederne fungerede enten under alt for tørre og sterile forhold, eller de sendte elektriske signaler, der var for kraftige og ikke passede til hjernens delikate kemi.

Den nye kunstige neuron: stille, energieffektiv og "fugtig"

Holdet fra University of Massachusetts rapporterer, at de har formået at bryde disse barrierer. Den kunstige neuron, de har skabt, kan kommunikere med en rigtig neuron på en måde, der minder meget om det naturlige – og den fungerer desuden i et fugtigt miljø svarende til det, nerveceller lever i.

Nøglen viste sig at være proteinnanotråde – mikroskopiske ledninger produceret af bakterier. I naturen hjælper de bakterier med at hæfte sig til overflader og udveksle elektroner. Ingeniørerne udnyttede denne egenskab til at bygge en ledende struktur, der kan nedsænkes i en opløsning svarende til den væske, der omgiver neuroner.

Proteinnanotråde fungerer som fine, naturlige ledninger, der "taler samme sprog" som både elektronik og levende væv.

Det er vigtigt af to grunde. For det første kan en sådan kunstig neuron fysisk sameksistere med nerveceller uden at kræve sterile, tørre betingelser. For det andet er den følsom nok til at arbejde ved spændingsniveauer, der svarer til dem, vores hjerne producerer.

Energiforbrug som i en rigtig hjerne

Tidligere konstruktioner af kunstige neuroner krævede op til ti gange højere spænding end naturlige nerveceller. Det resulterede i hundrede gange større energiforbrug og et signal, der var alt for kraftigt til, at biologien opfangede det korrekt.

Det nye element arbejder ved en spænding på cirka 0,1 volt – omtrent det samme, som en menneskelig neuron genererer. Ifølge en af ingeniørerne bag projektet lignede de tidligere versioner en råber med megafon, der trænger ind i et stille forelæsningslokale. Den nye løsning opfører sig snarere som en person, der taler dæmpet og tilpasser sin tone til omgivelserne.

Dermed dominerer den kunstige neuron ikke det biologiske system – den samspiller faktisk med det. Vi har for første gang en reel chance for ægte tovejskommunikation: elektronikken aflæser signaler fra neuronen og sender et svar tilbage i et "sprog", neuronen forstår.

Hvordan denne teknologi kan forandre medicin og elektronik

At skabe én kunstig neuron betyder selvfølgelig ikke, at en fuldt fungerende "kunstig hjernebark" dukker op i morgen. Retningen er dog klar – jo bedre vi lærer at bygge de enkelte elementer, desto lettere bliver det at forbinde dem i større netværk.

Forskerne ser flere mulige anvendelser:

• En ny generation af neurologiske implantater – mere præcise, mindre invasive og bedre tilpasset hjernens signaler;
• Protesering af beskadigede hjerneområder – kunstige neuroner kunne overtage dele af de tabte cellers opgaver;
• Neuromorfiske processorer – hjerneinspirede kredsløb, der er langt mere energieffektive end klassiske CPU'er og GPU'er;
• Bedre hjerne-computer-grænseflader – mere subtil kommunikation med neuroner end med nuværende systemer baseret på metalelektroder.

Ved at arbejde ved spændinger tæt på det biologiske niveau åbner sådanne kredsløb vejen for miniature, energivenlige medicinske enheder, der kan bæres i kroppen i årevis.

Jo lavere spænding og energiforbrug, desto tættere er vi på elektronik, der opfører sig som væv – frem for som et fremmedlegeme.

Hvad sker der videre med forskningen i kunstige neuroner

Foreløbig har vi ét enkelt element, der opfører sig lovende under laboratorieforhold. De næste udfordringer er åbenlyse: stabiliteten af neuronen over længere tid skal undersøges, ligesom dens modstandsdygtighed over for temperaturændringer, kemiske udsving og dens evne til at fungere i et netværk med andre celler.

Forskerne vil også skulle afgøre, hvordan mange sådanne kunstige neuroner bedst forbindes med levende væv: hvor mange der er brug for, i hvilke mønstre, og hvordan man styrer deres "læring". Her er der ikke kun tale om ingeniørkunst, men også om etik – spørgsmålene om grænserne for indgreb i hjernen vil blive stadig mere presserende.

Muligheder og risici: hvad bør vi allerede nu forberede os på

Hvis teknologien bevæger sig mod medicinske anvendelser, kan Parkinson- og Alzheimerpatienter få helt nye behandlingsredskaber til rådighed. I stedet for blot at lindre symptomerne ville læger få mulighed for delvist at genopbygge funktioner hos tabte neuroner.

Grænseflader, der forbinder hjernen med elektronik, skaber altid en spænding mellem fascination og frygt. På den ene side lokker de med visionen om at genskabe tabte funktioner – på den anden tvinger de os til at reflektere over grænserne for menneskelig modifikation og over, hvem der skal forvalte så følsomme data som neuronal aktivitet.

Det er også værd at huske, at neuroner ikke blot er "kabler" til elektriske impulser. Hver celle har sin egen kemi, sit eget stofskifte og reagerer på hormoner og stoffer fra omgivelserne. En kunstig neuron – selv en meget avanceret én – gengiver foreløbig primært det elektriske lag. Derfor vil den i lang tid snarere fungere som støtte og protese end som en fuldgyldig erstatning for levende væv.

For dem, der følger kunstig intelligens, kan dette emne virke fjernt – men der er faktisk en interessant bro her. Maskinlæring og neurale netværk i computere er kun symbolsk inspireret af biologien. Neuromorfisk integration forsøger at nærme sig den ægte hjerne fra hardwaresiden. Hvis disse to retninger begynder at smelte sammen, kan vi se helt nye typer "intelligente" enheder: ikke blot hurtige og smarte, men tættere på den måde, vores eget nervesystem faktisk fungerer.